ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2014, № 4, с. 55-60
^ ЭЛЕКТРОНИКА
И РАДИОТЕХНИКА
УДК 621.317.75
РЕГИСТРАЦИЯ И ОБРАБОТКА СИГНАЛОВ ЧАСТИЧНЫХ РАЗРЯДОВ © 2014 г. А. М. Гатауллин
Казанский государственный энергетический университет Россия, 420066, Казань, ул. Красносельская, 51 E-mail: gataullinam@mail.ru Поступила в редакцию 01.07.2013 г. После доработки 09.09.2013 г.
С помощью ненаправленной антенны, импульсного измерительного трансформатора и осциллографа исследованы сигналы электромагнитной активности в воздушном разрядном промежутке, возникающие под воздействием переменного напряжения частотой 50 Гц. Определен частотный диапазон с максимальным соотношением сигнал/шум для сигналов частичных разрядов. С помощью системы электродов поверхность—игла смоделированы частичные разряды, приводящие к пробою воздушного разрядного промежутка и идентичные по величине кажущегося заряда частичным разрядам в полимерной изоляции. Смоделированы коронные разряды. Для отделения сигналов короны от сигналов частичных разрядов построены амплитудно-фазовые диаграммы. Модельные разряды позволили изучить особенности пробоя полимерной изоляции.
DOI: 10.7868/S0032816214030161
ВВЕДЕНИЕ
Одной из важных проблем в электроэнергетике является проблема износа силового электротехнического и энергетического оборудования. Основными инструментами контроля текущего состояния высоковольтного электрооборудования в реальном режиме времени являются системы диагностирования и мониторинга, в том числе по характеристикам частичных разрядов (ч.р.) [1].
Рекомендации по идентификации, регистрации и обработке сигналов ч.р. изложены в международных и российских нормативных документах. Согласно этим документам, важно отделять сигналы короны от сигналов ч.р., при этом основной характеристикой ч.р. является так называемый кажущийся заряд — заряд, включение которого в разрядный промежуток приводит к тем же физико-химическим эффектам, что и сам ч.р. [2, 3].
Особый интерес представляют собой ч.р. в изоляции высоковольтного электрооборудования, которая может быть комбинированной. Так, например, в трансформаторах используется твердая, пропитанная бумажно-масляная и межвитковая изоляции [4], что затрудняет диагностирование развивающегося дефекта. Пробой комбинированной изоляции наиболее вероятно может произойти в какой-то одной ее части, поэтому важно уметь идентифицировать тип развивающегося дефекта по характеристикам ч.р.
Момент возникновения ч.р. зависит от фазы действующего напряжения, часто ч.р. наблюда-
ются на фоне более интенсивных сигналов короны [5]. По сравнению с сигналами ч.р. сигналы короны имеют более высокую амплитуду и наиболее вероятно связаны с окружающим изоляционный промежуток воздушным пространством. Поскольку в большинстве случаев сигналы короны приводят лишь к потерям электроэнергии, а ч.р. разрушают диэлектрик, эти сигналы необходимо разделять, что достигается построением амплитудно-фазовых диаграмм [6].
На практике наблюдаются ч.р. различных типов, в том числе коронные разряды с остриев, краев электродов или с цилиндрических проводов в газах, например в воздухе, либо в жидкой изоляции. Поверхностные частичные разряды наблюдаются на границе различных изоляционных материалов, например газ—диэлектрик, в газовых включениях в твердых и жидких материалах.
Общепринято, что ч.р. возникают в воздушных вкраплениях или кавернах, поэтому в экспериментах часто исследуют модельные разряды в воздушном разрядном промежутке. Чем больше число каверн, тем больше ч.р. возникает за единицу времени. Амплитуда, мощность ч.р., кажущийся заряд для изоляции одного типа примерно сопоставимы по своим характеристикам для каждой вновь образующейся каверны. Частичные разряды являются предвестниками дугового разряда и постепенно разрушают изоляцию. Перед пробоем возрастает число следующих один за
РЯ 3—18 кВ 1
АИД-70 í
ВИТ
~220 В о-
ТОН
А
АЦП
Осциллограф Tektronix TDS 1012
¿L
ПО
Рис. 1. Схема измерения. РЯ — разрядная ячейка; ВИТ — высокочастотный измерительный импульсный трансформатор; ТОН — трансформатор опорного напряжения; А — ненаправленная антенна; АЦП — плата NI аналого-цифрового преобразователя; ПК — персональный компьютер; ПО — программное обеспечение осциллографа Tektronix TDS 1012 и платы NI; АИД-70 — блок высокого напряжения.
другим импульсов ч.р., что характерно для развивающегося дефекта изоляции.
Четкой теории развития разряда как внутри изолятора в целом, так и внутри одной отдельно взятой каверны до сих пор не существует, характеристики ч.р. во многом зависят от структуры и типа диагностируемого объекта. Например, по данным исследования [7] к пробою модельной полимерной изоляции под воздействием переменного напряжения частотой 50 Гц приводит увеличение до критического значения числа ч.р. с зарядом 100 пКл. Однако в [7] не рассмотрен характер изменения зарядовой плотности внутри одной каверны, не определено критическое число ч.р. и не объясняется, каким образом разряды отнесены к частичным, а не к коронным.
В данной работе поставлена задача экспериментального моделирования сигналов ч.р. и сигналов короны в воздушном разряде с помощью системы электродов поверхность—игла для уточнения характеристик ч.р., возникающих внутри каверн полимерной изоляции.
ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОГО
СТЕНДА И ОБСУЖДЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ЛАБОРАТОРНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ
Известно, что частичные разряды в воздухе возникают при условии (1):
Е/п > 120 Тё1, (1)
где Е, В/м — напряженность локального электрического поля в месте возникновения ч.р.; п, м-3 — концентрация электронов в единице объема.
1 Td (таунсенд) — единица измерения соотношения E/n:
1 Td = 10—21 В ■ м2.
Если соотношение (1) не выполняется (за счет метастабильного азота и кислорода Е/п может быть 80 Тё), то в основном возникают коронные разряды. Иными словами, при одинаковых условиях окружающей среды частичные и коронные разряды можно смоделировать выбором конфигурации электродов. Так как для возникновения ч.р. локальное электрическое поле в каверне должно быть в несколько раз больше средней напряженности электрического поля, для моделирования ч.р. применяют конфигурацию электродов поверхность—игла. При этом в воздушном разрядном промежутке возникают стримерные разряды — разряды древовидной структуры. Таким образом, использование конфигурации электродов поверхность—игла позволяет смоделировать коронные разряды и ч.р. с определенной величиной кажущегося заряда.
Важно знать величину кажущегося заряда и число ч.р. за период действующего напряжения в предпробойной ситуации. Кроме того, при одном и том же напряжении пробоя увеличением диаметра иглы можно добиться того, чтобы возникали только сигналы короны, а пробоя не будет.
На этом принципе построена лабораторная установка, в разрядной ячейке которой использовалась система электродов поверхность—игла с диаметрами иглы 20 мкм и 0.5 мм. В первом случае электроды предназначались для моделирования ч.р. в воздухе, во втором — для моделирования коронных разрядов в воздухе при тех же условиях.
В данной статье в основном обсуждаются результаты экспериментов, полученные с применением электродов с диаметром иглы 20 мкм. Эксперимент проводился при давлении атмосферного воздуха 760 Торр, температуре 300 К, относительной влажности 65%.
Рис. 2. Осциллограмма сигнала электромагнитной активности при переменном напряжении 9 кВ и антенне с .RC-цепочкой. Постоянная времени 14 мкс. Развертка: по вертикали 5 • 10-2 В/деление, по горизонтали 2.5 • 10 с/деление.
Ненаправленной антенной, рассчитанной на прием импульсных сигналов длительностью >1 нс, и стандартным измерительным импульсным трансформатором RFCT-5 с полосой пропускания 1—15 МГц, представляющим собой высокочастотные измерительные клещи, регистрировались электромагнитные поля, обусловленные изменением зарядовой плотности в воздушном разрядном промежутке.
Высокое напряжение обеспечивалось аппаратом для испытания диэлектриков АИД-70, расстояние от поверхности до иглы составляло 10—20 мм, переменное напряжение частотой 50 Гц варьировалось от 3 до 18 кВ [6] (рис. 1). Изменения температуры, давления и влажности не учитывались.
Для визуализации сигнала электромагнитной активности антенна А была оснащена ЛС-цепоч-кой (постоянная времени 14 мкс). Применялись осциллограф Tektronix TDS-1012 с интерфейсом RS-232 и персональный компьютер с программой OpenChoice, а также плата сбора данных NI PCI-6251 с частотой дискретизации 1 МГц и программный анализатор сигнала, реализованный в LabView. Полоса пропускания осциллографа Tektronix TDS 1012 составляла 100 МГц, максимальная частота дискретизации — 1 ГГц, что позволяло регистрировать импульсы ч.р. с длительностью фронта порядка нескольких наносекунд.
Амплитудно-частотный спектр электромагнитной активности сначала был определен без высокого напряжения, а затем — при подаче высокого напряжения. Сопоставление полученных осциллограмм позволило определить частотный
(б)
Рис. 3. Осциллограмма сигнала электромагнитной активности в начальной стадии пробоя при переменном напряжении 14 кВ и антенне с .КС-цепочкой (постоянная времени 14 мкс). Развертка: по горизонтали 2.5 • 10-3 (а) и 5 • 10 5 с/деление (б), по вертикали 5 • 10-2 В/деление.
диапазон с максимальным соотношением сигнал/шум 1.0—15.0 МГц. С помощью осциллографа были проведены исследования электромагнитной активности при различном переменном напряжении в следующих ситуациях: далекой от пробойной (рис. 2), соответствующей начальной стадии пробоя (рис. За, 3б) и в предпробойной (рис. 4а, 4б). Для детального анализа осциллограммы на рис. 3а была выбрана подходящая развертка (рис. Зб).
Сопоставление рис. За и Зб позволяет сделать вывод о том, что на экране осциллографа не отображаются все точки массива сигналов электромагнитной активности в связи с ограниченной
I
IÜ
н
Irci
Ж
mu
áii
т
■
■ \щ
№ м ■1 ■ ш
II ж яв ВИ! Ш\ SW ш W,
li III НИШИ на т
(б)
CH1 5.00V CH2 500mV M 100ns
CH2 J
Рис. 4. Осциллограмма сигнала электромагнитной активности в предпро
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.